复合改性纳米零价铁修复六价铬和三氯乙烯污染地下水的效能及机制探究

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随着我国工业迅猛发展,地下水污染问题愈发严重,且地下水污染具有污染种类复杂、持久性强和难以治理等特点,因此,亟待研发有效的地下水污染修复技术。六价铬(Cr(Ⅵ))和三氯乙烯(TCE)是地下水代表性污染物,二者都是地下水中最常被检测到且毒性较强的污染物。纳米零价铁(n ZVI)原位修复是目前国内外常见的地下水治理技术,n ZVI具有的粒径小、吸附性强以及反应活性高等优点使其对Cr(Ⅵ)和TCE具有较好的去除能力。然而,n ZVI在实际应用过程中存在易团聚、易氧化等缺陷,严重影响了其应用性能。为了解决上述问题,本研究制备了羧甲基纤维素钠和草酸钠双重改性的n ZVI基材料(CMC-OA-n ZVI),并将所制备的CMCOA-n ZVI用于去除模拟地下水中的Cr(Ⅵ)和TCE,通过批量试验对CMC-OA-n ZVI去除地下水中Cr(Ⅵ)和TCE的效能、影响因素以及相关机理进行了探究,具体结果如下:(1)对CMC-OA-n ZVI制备参数的影响进行了探究,结果表明:在CMC-OA-n ZVI合成过程中Fe、CMC以及OA投加比例会对其应用效果产生一定的影响,其中当Fe:OA:CMC的投加摩尔比为1:0.35:1时,CMC-OA-n ZVI对Cr(Ⅵ)和TCE具有最佳的去除效果。相关表征结果表明:CMC以包覆层的形式成功包裹在n ZVI的表面,阻碍了n ZVI粒子之间形成团聚体;经过CMC和OA的改性,CMC-OA-n ZVI的饱和磁化强度小于n ZVI,说明此改性过程可以有效降低n ZVI的团聚性;另外,OA和CMC的引入提升了n ZVI表面官能团数量,可以促进污染物的吸附去除过程;此外,联合改性过程对n ZVI起到了一定的保护作用,阻碍了表面钝化层的形成。(2)通过序批式静态吸附实验对CMC-OA-n ZVI吸附Cr(Ⅵ)性能进行研究,结果表明,在较低的p H值条件下CMC-OA-n ZVI对Cr(Ⅵ)的去处效果较好;最优的CMC-OA-n ZVI投加量为0.5 g/L,此时Cr(Ⅵ)的去除率达到68.5%;另外,反应在较短的时间内(120 min)即可达到平衡,最大吸附容量达到346.61 mg/g。常见的共存离子以及HA对吸附过程影响较小,说明此吸附过程较为稳定;此外,Avrami动力学模型以及Langmuir和Sips等温吸附模型可以更好的拟合吸附过程,说明CMC-OA-n ZVI对Cr(Ⅵ)的吸附为含有多重动力学过程的单层吸附。通过热力学计算与分析表明,CMC-OA-n ZVI对Cr(Ⅵ)的吸附吸热为吸热反应,且可自发进行。(3)通过序批式静态吸附实验对CMC-OA-n ZVI吸附TCE的性能进行研究,结果表明,当初始p H为6、材料投加量为0.5 g/L时CMC-OA-n ZVI对TCE的去除效果最优;反应在360 min左右达到平衡,最大吸附容量达26.18 mg/g。共存离子或HA对吸附量的影响较低,说明此吸附过程具有较强的抗干扰能力;此外,Avrami动力学模型以及Freundlich和Redlich-Peterson等温吸附模型更好的拟合了吸附过程,说明CMC-OA-n ZVI对TCE的吸附为含有多重动力学过程的多层的吸附过程。热力学结果分析表明:CMC-OA-n ZVI对TCE的吸附为自发的吸热反应过程。(4)对CMC-OA-n ZVI去除Cr(Ⅵ)和TCE的机理进行了分析,结果表明:静电吸引、还原以及共沉淀作用为Cr(Ⅵ)去除的关键作用;此外,CMC-OA-n ZVI通过物理吸附和还原脱氯作用实现了对TCE的高效去除。
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